3832

ной частотной характеристики такой системы на трапеции. В Советском Союзе видную роль в пропаганде и развитии частотных методов сыграл В. В.

Солодовников. Им был предложен метод оценки качества по вещественным частотным характеристикам, разработаны метод построения переходных процессов с помощью трапецеидальных характеристик при ступенчатых воз-

действиях (1949 г.) и метод синтеза корректирующих устройств, построено большое количество таблиц и номограмм, облегчающих анализ и синтез сис-

тем регулирования, показана возможность применения частотных методов к системам с распределенными параметрами и запаздыванием.

Если до 40-х гг. центральное место в теории регулирования занимало исследование устойчивости, то позднее центр тяжести переносится на иссле-

дование качества, т. е. на определение таких важных показателей качества,

как быстродействие, перерегулирование, колебательность процесса.

Первое исследование одного из качественных показателей процесса прямого регулирования – монотонности было выполнено И. А. Вышнеград-

ским. Однако долгое время исследования качества выполнялись лишь в ред-

ких работах для простейших частных задач. Есть сведения, что в одном из неопубликованных докладов И. Н. Вознесенского был описан метод, пред-

ставлявший собою распространение критерия Гурвица на оценку расстояния ближайшего корня характеристического уравнения до мнимой оси. В 1945 г.

Я. 3. Цыпкин и П. В. Бромберг независимо от И. Н. Вознесенского, назвав расстояние от мнимой оси до ближайшего к ней корня степенью устойчиво-

сти, предложили метод анализа качества по степени устойчивости.

В 1948 г. К. Ф. Теодорчиком в СССР и в 1950 г. Ивэнсом в США был предложен для исследования качества метод корневых годографов, полу-

чивший широкое распространение за рубежом. В этом методе сделана инте-

ресная попытка связать частотные и корневые методы.

Третье направление в исследовании качества основывается на инте-

гральных оценках, характеризующих динамическую точность систем регули21

рования. Общие методы определения интегральных оценок разрабатывались применительно к различным динамическим системам в трудах Л. И. Ман-

дельштама и Н. Д. Папалекси (1919 г.), А. А. Харкевича и применительно к задачам регулирования — В. С. Кулебакиным, А. А. Фельдбаумом, О. М.

Крыжановским, А. А. Красовским, Б. В. Булгаковым, Н. Д. Моисеевым и др.

В конце пятидесятых — начале шестидесятых годов появились извест-

ные работы Л. С. Понтрягина, Р. Беллмана, Р. Калмана, которые заложили основы современной теории автоматического управления.

Пока не существует общепринятого определения понятия современной теории автоматического управления (СТАУ). Одни авторы в качестве ее ха-

рактерного признака отмечают описание процессов в пространствах состоя-

ний. Однако и в классической теории широко применялось описание движе-

ния в фазовом пространстве (особенно - на фазовой плоскости). Другие под-

черкивают методы, связанные с принципом максимума, динамическим про-

граммированием, функциональным анализом и пр. Однако новый для данной области или даже принципиально новый математический аппарат сам по себе не может составить наиболее характерные черты этана развития науки,

имеющей прикладное значение. Наконец, некоторые авторы связывают поня-

тие современной СТАУ с адаптивным управлением, т.е. управлением при не-

полной априорной информации.

Однако адаптивные или самонастраивающиеся системы довольно ши-

роко рассматривались в сороковых - пятидесятых годах, т.е. в период класси-

ческой теории управления (ТАУ).

Наиболее удовлетворительное определение СТАУ получается, если в основу положить требования научно-технического прогресса, современной и перспективной автоматизации.

Важнейшим из таких требований является оптимальное использование на каждом этапе или режиме функционирования системы всех располагае-

мых ресурсов (энергетических, информационных, вычислительных и др.) для

22

достижения главной для этого этапа цели при соблюдении множества огра-

ничений.

Итак, соответственно развитию техники и ее возможностей развивалась и теория автоматического управления. Вначале, когда существовали лишь простейшие регуляторы, теория автоматического регулирования была по су-

ществу лишь собранием примеров применения методов теории дифференци-

альных уравнений. Затем стали создаваться специальные методы исследова-

ния систем автоматического регулирования, поведение которых описывается дифференциальными уравнениями, и теория автоматического регулирования стала специальной отраслью прикладной теории дифференциальных уравне-

ний. В послевоенный период теория автоматического управления стала бур-

но развиваться. Новые технические средства, новые задачи управления по-

требовали новых научных методов, привлечения различных существующих математических методов и разработки новых. В результате сейчас теория ав-

томатического управления развилась в самостоятельную прикладную техни-

ческую науку, располагающую своими специфическими эффективными ме-

тодами исследования автоматических систем, их расчета и проектирования.

1.2.Основные принципы автоматического управления

Вдостаточно общем случае все системы управления можно разделить на две основные группы, в которых используются:

а) принцип регулирования по отклонению (принцип Ползунова-Уатта);

б) принцип комбинированного регулирования (объединение принципов Ползунова-Уатта, Сименса и Понселе).

Обычно единственным признаком, на основании которого определяют принцип регулирования, является способ измерения воздействия, поступаю-

щего со стороны объекта регулирования на регулятор. При измерении откло-

нения регулируемого параметра принято считать, что система создана по принципу Ползунова-Уатта. Если измеряется скорость изменения отклонения

23

регулируемого параметра, то говорят, что в системе использован принцип Сименса, а при измерении внешнего возмущения — принцип Понселе. Такой взгляд на принципы регулирования, появившийся еще в период формирова-

ния классической теории автоматического регулирования, как на нечто цели-

ком и полностью определяющее основные свойства системы не всегда оп-

равдан.

В окружающем нас мире повсюду протекают различные процессы управления. В частности, человек в своей практической деятельности посто-

янно использует различные физические явления, законы природы для дости-

жения определенных целей. При этом он в известной мере управляет силами природы, заставляя их работать в необходимом направлении. Особенно ярко это выражается с появлением техники. Человек управляет различными сред-

ствами транспорта, машинами в различных отраслях промышленности, хи-

мическими реакциями и разными другими процессами. Процессы управления протекают также в других областях деятельности человека. Так, полководец во время войны управляет боевыми действиями состоящих в его распоряже-

нии войск и боевой техники. Руководитель предприятия, учреждения или от-

расли промышленности управляет деятельностью подчиненной ему органи-

зации. Процессы управления непрерывно протекают и в живой природе. В

результате этих процессов в живом организме поддерживается практически постоянными ритм сердца и дыхания, температура тела и вообще обеспечи-

вается функционирование всех органов и жизнедеятельность всего организ-

ма.

Управление — это такая организация того или иного процесса, кото-

рая обеспечивает достижение определенных целей.

Бурное развитие автоматики, электроники и вычислительной техники привело к внедрению автоматики буквально во все области деятельности че-

ловека. Автоматика и автоматизация становятся главным направлением раз-

вития всей техники. Совершается переход от автоматизации отдельных про24

стейших производственных операций к комплексной автоматизации средств производства и производственных процессов. Появляются различные авто-

матические производственные линии и даже целые автоматические заводы.

Решающую роль в развитии автоматики сыграло появление цифровых вы-

числительных машин. Если в прошлом машины предназначались для осво-

бождения человека от тяжелого физического труда, то сейчас наступила эпо-

ха создания машин принципиально нового типа, выполняющих некоторые функции человеческого мозга, в частности осуществляющих управление раз-

личными сложными процессами. Роль человека при этом сводится к органи-

зации работы автоматических систем и средств вычислительной техники,

такому их проектированию, соединению и использованию, которое обеспе-

чивает получение необходимых результатов с наименьшими затратами.

Чтобы понять основные принципы управления, рассмотрим, например,

человеко-машинную систему управления автомобилем /7/. Сидя за рулем,

водитель видит перед собой дорогу и находящиеся на ней предметы, наблю-

дает, куда идет машина, и на основании этого принимает решение, надо ли изменить направление движения машины и если надо, то куда и насколько следует повернуть руль. Анализируя этот процесс, мы видим в нем следую-

щие основные элементы. Во-первых, получение информации о направлении,

в котором должна идти машина, т. е. информации о задаче управления. Эту информацию водитель получает при помощи зрения. Во-вторых, получение информации о результатах управления. Водителю недостаточно видеть перед собой дорогу, он должен видеть, куда идет машина. Эту информацию он также получает с помощью зрения. В-третьих, анализ полученной информа-

ции и принятие на основе этого анализа решения о необходимых управляю-

щих действиях. Наконец, в-четвертых, исполнение принятого решения. Эти четыре элемента составляют основу всякого управления. Если исключить хо-

тя бы один из них, то управление автомобилем станет невозможным. Напри-

мер, если завязать водителю глаза или вывести из строя его мозг или руки, то

25

управление станет невозможным.

Рассмотренный пример показывает, что в общем случае процесс управ-

ления состоит из следующих четырех элементов:

получение информации о задачах управления,

получение информации о результатах управления, т. е. о поведении объекта управления,

анализ полученной информации,

выработка решения и осуществление управляющих действий.

Всоответствии с этим для организации процесса управления необхо-

димо иметь источники информации о задачах управления и результатах управления, устройства для анализа получаемой информации и выработки решения и исполнительные устройства, осуществляющие управление объек-

том.

Из приведенного примера следует, что в организации процесса управ-

ления большую, а во многих случаях и решающую роль играет получение информации о результатах управления. При наличии этой информации ре-

шение об управляющих действиях существенно зависит от результатов управления. Иными словами, первичный элемент - управляющее действие -

зависит от вторичного элемента - вызываемого управляющим действием по-

ведения объекта управления. Получается как бы замкнутый круг: причина,

вызывающая изменение состояния объекта управления, ставится в зависи-

мость от того, какой результат она вызывает. Такая связь причины и следст-

вия называется обратной связью. Принцип управления с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной свя-

зи. Управление с использованием принципа обратной связи называется часто управлением по замкнутому циклу.

Принцип обратной связи лежит в основе подавляющего большинства процессов управления. В частности, принцип обратной связи лежит в основе почти всей деятельности человека. Так, например, если человек протягивает

26

руку, чтобы взять какой-либо предмет, то он смотрит на предмет и подсозна-

тельно непрерывно управляет движением руки, исправляя ошибки направле-

ния движения руки к предмету. Чтобы убедиться в этом, достаточно исклю-

чить получение информации о результатах управления, завязав человеку гла-

за, и наблюдать движение его руки.

Однако в некоторых отдельных случаях принцип обратной связи ис-

пользовать не удается из-за практической невозможности получить инфор-

мацию о результатах управления. В таких случаях управление сложными процессами становится невозможным. Например, управление автомобилем при отсутствии информации о том, куда он движется, совершенно невозмож-

но. Однако в некоторых случаях требуемый закон изменения состояния объ-

екта управления во времени заранее известен и практически не зависит от ре-

зультатов управления, а зависит только от управляющих действий. Так, на-

пример, при автоматическом управлении токарным станком, изготовляющим детали одного определенного образца, чрезвычайно трудно организовать из-

мерение деталей в процессе обточки, т.е. получение информации о результа-

тах управления. Вследствие этого практически невозможно управлять дви-

жением резца с учетом результатов этого управления, т.е. с использованием принципа обратной связи. Однако закон изменения положения резца во вре-

мени в процессе обработки различных деталей весьма мало зависит от раз-

броса параметров отдельных заготовок и является практически одним и тем же для всех деталей. Поэтому в данном случае можно задать положение рез-

ца как определенную функцию времени и осуществить автоматическое пере-

мещение его по этому закону.

Управление, обеспечивающее заданный закон изменения состояния объекта управления во времени, независимо от результатов управления, на-

зывается программным управлением или управлением по разомкнутому цик-

лу. Закон изменения состояния объекта управления во времени при этом на-

зывается программой управления. Область применения программного управ27

ления в чистом виде ограничена в основном промышленными автоматами

(автоматическими станками). Значительно более широкое распространение нашло такое программное управление, при котором сама программа измене-

ния состояния объекта управления осуществляется с помощью обратной свя-

зи. В таких случаях программа управления служит информацией о задачах управления, а состояние объекта управления определяется с помощью изме-

рителей, которые дают информацию о результатах управления и тем самым осуществляют обратную связь. В подобных случаях управление по существу не является программным, а представляет собой управление с обратной свя-

зью. Так, например, при термовлажностной обработке бетонных изделий за-

дается определенная программа изменения температуры в пропарочной ка-

мере в функции времени. Текущая температура в камере измеряется, срав-

нивается с программной, и на основе этого сравнения вырабатывается сигнал управления. Таким образом, принцип обратной связи является основным принципом управления.

Изложенное показывает, что всякая система управления должна содер-

жать источники информации о задачах управления и результатах управления,

устройства, анализирующие информацию и вырабатывающие решение об управляющих действиях, и исполнительные устройства. Некоторыми из этих элементов или всеми сразу может, в частности, служить человек. Например,

водитель автомобиля выполняет сразу функции всех перечисленных элемен-

тов. В таких случаях система управления включает человека и не является автоматической.

Совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-

либо объектом, называется системой управления. Если функции всех элемен-

тов системы управления выполняются различными устройствами без непо-

средственного участия человека, то система управления называется автома-

тической. Система автоматического управления (САУ) в технических при-

ложениях представляется состоящей из объекта управления и автоматиче28

ской системы управления им.

В некоторых случаях задачей управления является обеспечение посто-

янства некоторой физической величины. Такой частный вид управления обычно называется регулированием. Автоматическое устройство управления,

обеспечивающее регулирование значения какой-либо физической величины,

называется регулятором, а реализуемая система - системой автоматическо-

го регулирования (САР) или системой стабилизации.

Примерами автоматических систем управления могут служить автопи-

лот, управляющий полетом самолета, система регулирования температуры в аппаратах термической обработки материалов и изделий, следящая система,

обеспечивающая автоматическое сопровождение самолета лучом радиолока-

тора, устройства управления процессом вычислений в электронной цифровой машине и т. д.

Система управления, в которой решения об управляющих действиях принимаются людьми, а автоматические устройства используются только для сбора, обработки и представления информации о задачах и результатах управления и для сравнительного анализа различных возможных вариантов решений, называется автоматизированной. Примером автоматизированной системы управления может служить система управления отраслью промыш-

ленности, содержащая устройства и вычислительные машины, автоматиче-

ски осуществляющие сбор и обработку необходимой информации, анализи-

рующие различные варианты решений и определяющие их сравнительные характеристики.

При изучении процесса управления приходится рассматривать совме-

стную работу объекта управления и системы управления как сложную дина-

мическую систему, учитывающую их взаимодействие. Только при этом ус-

ловии можно изучить процессы управления, основанные на принципе обрат-

ной связи.

Прежде всего, выясним, какой смысл мы вкладываем в слова «динами29

ческая система» /1/.

Общепринятое прежде чисто механическое толкование этого термина ограничивает наше понимание слова «система» такой совокупностью тел

(или элементов), которые находятся во взаимной связи друг с другом и при-

том так, что состояние или расположение одного из элементов системы ска-

зывается на состоянии или расположении других и, таким образом, на свой-

ствах всей системы.

Человек давно заметил и принужден был считаться с тем, что в окру-

жающем его мире вещи, да и он сам, изменяют свое положение по отноше-

нию друг к другу. Эти изменения он наблюдал не только на земной поверх-

ности, среди ближайших к нему предметов, но и в положении светил на не-

босводе. За тысячу лет до Галилея и Ньютона люди наблюдали эти явления,

которые, на первый взгляд, не имеют практического значения для их сущест-

вования. Неизвестны были и причины этих явлений.

Однако по сравнению с системами, создаваемыми человеком, небесные явления представляли такой благоприятный материал для размышлений, что люди, в течение веков наблюдая их, могли сделать выводы о стойкой зако-

номерности этих явлений, позволившей предсказывать их и в будущем. Ис-

тинные причины этих закономерностей еще не были известны. Больше того,

при объяснении их принимались и ложные гипотезы о зависимости судьбы

(т. е. поведения и состояния) отдельных личностей от расположения небес-

ных светил, что создало астрологический взгляд на природу и место человека в ней.

Несмотря на заблуждения астрологов, именно благодаря многочислен-

ным астрологическим наблюдениям был накоплен тот безукоризненный ас-

трономический материал, который позволил Кеплеру построить теорию, дос-

таточно полно и точно описывающую типы и свойства траектории небесных светил, не касаясь причин их движения. Таким образом, небесная механика начинала свое развитие с кинематики.

30